串口服務工業(yè)級4G3G-DTU智慧照明控制LED燈

1、LED具有使用壽命長、光效高以及低功耗的特質，使得它在和傳統(tǒng)照明燈具相比的時候優(yōu)勢明顯。與此同時，近年來電力資源持續(xù)缺乏，國家一直在提倡節(jié)能環(huán)保、營造“綠色低碳”生活，LED必將會取代傳統(tǒng)照明產品。LED的半導體器件的特性，使其在智能照明控制方面有絕對的優(yōu)勢，可以完美實現(xiàn)對照明燈具的調光調色、靈活設置、分組管理、狀態(tài)查詢和故障報警等功能，可以更加人性化的滿足使用者的要求，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能，有效地降低照明工程的維護成本。LED照明走向智慧化已經成為一個發(fā)展趨勢。“十二五”規(guī)劃，國家確定了七大戰(zhàn)略性新興產業(yè)，而節(jié)能環(huán)保是其不變的主題。鴻雁電器積極響應國家發(fā)展政策，朝著智能、節(jié)能、綠色環(huán)保方向發(fā)展

2、?；邙櫻汶娖鞅旧韽姶蟮漠a業(yè)鏈和產品矩陣，LED產品依靠引進的主流設備及技術，跨界融合光電與信息產業(yè)科技，將智能化控制系統(tǒng)與LED照明產品進行創(chuàng)造性地融合，為用戶提供更低耗、更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的LED智慧照明系統(tǒng)解決方案。1現(xiàn)狀分析目前，普通家庭照明采用的基本是采用電工開關M專統(tǒng)燈具的模式，這種模式已延續(xù)幾十年，并且已經成為人們的使用習慣，很難被改變，這種傳統(tǒng)方式相對簡單、有效、直觀。但是，整個系統(tǒng)相對分散，無法實現(xiàn)有效的管理，其適時性和自動化程度太低，已經無法滿足人們對照明的高效控制和功能多樣化的需求。20世紀90年代初，隨著計算機技術和網絡技術的飛速發(fā)展，辦公自動化、樓宇自動化、家庭自

3、動化的出現(xiàn)，人們對照明控制提出了更高的要求，從而產生了智能照明控制方式。所謂智能照明控制，就是根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時間、室內外亮度或該區(qū)域的用途來自動控制照明設備，并能夠實現(xiàn)集中統(tǒng)一管理與監(jiān)控的功能，并結合現(xiàn)代照明技術和照明藝術，科學地管理照明設備，讓人們在一個不僅照明技術參數(shù)指標方面達到標準的要求，而且舒適、明亮并富有藝術魅力的照明環(huán)境里工作和生活。從智能照明控制系統(tǒng)的組成方式看，主要有總線型、電力線載波型、無線網絡型等。市場上主流的系統(tǒng)主要有：KNX/EIB、ABBi-bus系統(tǒng)、邦奇Dynet系統(tǒng)、Philips的DALI總線、日本松下的HBS總線、奇勝C-Bus系統(tǒng)、Cont

4、rol4以及X-10的電力線載波系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)的布線方式和傳統(tǒng)電工布線規(guī)范都是不同的，而且這些系統(tǒng)價格高昂、設計復雜、維護成本高，不是一般用戶能夠承受的。因此，結合LED照明的發(fā)展趨勢和智能照明控制的現(xiàn)狀，運用目前主流的ZigBee無線模度組網技術，研制開發(fā)的LED智慧照明控制系統(tǒng)將大大滿足人們對照明智能化、節(jié)能化以及人性化的需求。2系統(tǒng)架構基于ZigBee無線模塊的LED智慧照明控制系統(tǒng)架構如圖1所示。31U圖1系統(tǒng)架構圖整個系統(tǒng)由兩個網絡組成：WiFi無線局域網和ZigBee數(shù)傳無線個域網。WiFi局域網的作用是實現(xiàn)LED智慧照明控制系統(tǒng)與智能終端(如智能手機、智能Pad等)的互聯(lián)互通，

5、通過智能終端可以方便控制和管理系統(tǒng)；ZigBee數(shù)傳個域網的作用是實現(xiàn)所有驅動模塊與控制設備、系統(tǒng)網關之間的互聯(lián)互通，是LE昭慧照明系統(tǒng)的基礎控制網絡。系統(tǒng)產品遵循統(tǒng)一的交互協(xié)議，可實現(xiàn)不同控制器控制一個驅動模塊，一個控制控制多個驅動模塊，以及各種情景模式的設置與控制，結合照度自適應功能，可適應多種領域，如辦公、家庭等，達到智能、節(jié)能的效果。3ZigBee技術的優(yōu)勢(1)低成本：數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本，且無需繳納專利費；(2)超低功耗：在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年；(3)穩(wěn)定性高：網狀網絡提供高冗余通信路徑，CSMA心皿術和確認機制確保了網絡通

6、信的穩(wěn)定性；(4)組網簡單：自組網和自動路由功能使得網絡的構建和維護變得十分容易；(5)高安全性：提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用通用的AES-128位加密算法；(6)兼容性：開放的標準使不同供應商的產品可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)互通；國際通用的免費頻段使產品準入更為簡單；(7)響應速度快：針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短；(8)網絡容量大：可支持管理多達65535個節(jié)點。4系統(tǒng)特點4.1 低成本、易安裝傳統(tǒng)的智能照明控制解決方案需要預先布置大量的通信線纜，既影響美觀又增加了施工的難度，特別是對已完成裝修的家庭來說，重新布線需要破壞原有的裝修環(huán)境，在很大程度上也增

7、加了部署的成本。本系統(tǒng)采用領先的ZigBee無線模塊通訊技術和創(chuàng)新的安裝方式，如圖2所示，無需在設備間額外安裝通訊電纜，無需更換傳統(tǒng)的開關，只需安裝在燈具上，就可實現(xiàn)對燈光、窗簾等電器的ZigBee數(shù)據(jù)采集和智能控制,任何一個非專業(yè)的電工都能安裝。4.2 自組網，免調試本系統(tǒng)采用了ZigBee數(shù)傳模塊網狀網絡結構，使無線信號可以在設備之間自動路由，從而使得通信網絡不受點與點之間的距離局限而覆蓋整個屋子。系統(tǒng)構建無需調試，系統(tǒng)上電自動組網，任何新加入的設備都能夠自動加入網絡，無需額外配置。4.3 高可靠，易維護本系統(tǒng)各個節(jié)點設備均配置獨立的CP醒口存儲器，配置信息均保存在節(jié)點設備上，即系統(tǒng)中任何

8、一個設備出現(xiàn)故障，只是與該模塊相關的功能失效，而不影響網絡其他設備的正常運行，既有利于快速故障定位，又提高了照明控制系統(tǒng)的容錯水平。4.4 隨時隨地的多種控制方式本系統(tǒng)多種集中控制方式，包括機械開關、觸摸液晶屏、遙控器、智能手機、智能Pad等，用戶可以根據(jù)家居的環(huán)境和應用的場合自由選擇控制的方式。通過安裝LED調光模塊，傳統(tǒng)的機械開關就能實現(xiàn)LED燈具亮度調節(jié)。iPhone、iPad以及Android手機只需下載安裝控制軟件，通過簡單設置即可實現(xiàn)對LED照明系統(tǒng)的控制和管理。5系統(tǒng)硬件設計5.1節(jié)點結構ZigBee/WiFi網關采用透明傳輸?shù)姆绞?，由客戶機發(fā)送控制指令，從節(jié)點設備接收指令，并執(zhí)

9、行相應的動作以及反饋執(zhí)行后的狀態(tài)，降低了以往智能系統(tǒng)主機高度集成帶來的可靠性風險。ZigBee/WiFi網關配有WiFi模塊和ZigBee數(shù)傳模塊,WiFI模塊可通過無線路由器與智能終端設備連接，ZigBee模塊實現(xiàn)控制模塊之間的無線組網。ZigBee/WiFi網關的硬件結構如圖3所示。7VI圖3ZigBee/WiFi網關硬件結構從節(jié)點選用采用意法半導體推出的高性能雙串口8位單片機STM8s105K存儲器有EEPRO曲片AT24C02組成。每個從節(jié)點配有ZigBee無線通信模塊與網關連接，實現(xiàn)命令控制和數(shù)據(jù)的傳輸。從節(jié)點硬件結構如圖4所示。圖4從節(jié)點硬件結構5.2電源模塊離線式開關電源芯片。L

10、NK304在一個IC上面集成了一個700V的功率MOSFET振蕩器、簡單的開/關控制電路、高壓開關電流源、頻率調制、逐周期的電流限制及過溫保護。器件在啟動及工作期間的功率消耗直接由漏極引腳的電壓來提供，因此，在BUCKM反激式控制器中可節(jié)省偏置供電的相關電路。LNK304用來替代輸出電流小于360mA的所有線性及電容降壓式非隔離電源。其系統(tǒng)成本與所替代的電源相等，但性能更好、效率更高。電源模塊電路原理如圖5所示。圖5電源模塊電路原理6系統(tǒng)軟件設計6.1 系統(tǒng)網絡架構本系統(tǒng)網絡架構采用C/S模式，在智能終端上安裝客戶端應用軟件，驅動設備作為服務器，客戶端實時訪問、控制和設置服務器。系統(tǒng)網關作為T

11、CP/IP與ZigBee網絡層協(xié)議的轉換，應用層協(xié)議不進行任何處理，直接透傳。系統(tǒng)網絡架構如圖6所示。圖6系統(tǒng)網絡架構軟件通信流程如圖7所示。系統(tǒng)軟件作為客戶機，驅動模塊作為服務器，客戶機按照通信協(xié)議發(fā)送具體的控制和設置指令，由驅動模塊直接接收和處理相應的指令，并且將ZigBee數(shù)據(jù)采集信息反饋信息到客戶機。圖7系統(tǒng)軟件通信流程6.2 ZigBee網絡協(xié)議ZigBee協(xié)議棧是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的，定義了協(xié)議的MA麗PHY層。ZigBee數(shù)傳設備應該包括IEEE802.15.4（該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通信）的PHY和MAC1,以及ZigBee堆棧層：網絡層

12、（NWK、應用層和安全服務提供層。6.3 系統(tǒng)管理界面系統(tǒng)管理完成的主要任務有：設備管理，包括添加和刪除設備；房間管理，包括添加和刪除房間，以及房間內的設備和常用場景；主界面設置，包括主界面常用場景設置、個性化設置等；設備同步，可實現(xiàn)不同終端設備之間配置信息的同步；主機設置，可對系統(tǒng)網關IP地址進行設置等。系統(tǒng)管理界面如圖8所示。圖8系統(tǒng)管理界面6.4 系統(tǒng)控制界面系統(tǒng)控制實現(xiàn)的主要功能是：房間選擇，可以選擇各個房間，查看和控制房間內的設備;單獨控制，針對房間內的設備可以進行單獨控制，實現(xiàn)開關、調光、調色溫、調色彩、窗簾開關等功能；場景控制，根據(jù)用戶的預設，在房間內可以實現(xiàn)一鍵式場景控制；個性化圖片顯示，通過系統(tǒng)設置可以在房間內顯示不同房間的圖片